Процесс одномодовой волоконной лазерной сварки алюминиевого сплава 6063

АБСТРАКТ НАЯ:Целью работы является изучение оптимального лазерная сварка Технологическая схема алюминиевого сплава 6063 для улучшения натяжения точки сварки ввиду того, что натяжение алюминиевого сплава 6063, сваренного точечной сваркой импульсным лазером, низкое и не отвечает реальным потребностям. одномодовый волоконный лазер использовался для сварки алюминиевого сплава 6063, а спиральные пятна были образованы чрезвычайно тонкой линией для замены одиночного импульса. лазерная точечная сварка. Для получения оптимальных параметров был проведен ортогональный эксперимент по мощности лазера, скорости сварки и дефокусировке. Путем анализа внешнего вида и микроструктуры сварного шва была объяснена причина увеличения натяжения в точке сварки. При мощности лазера 70 Вт, скорости сварки 100 мм/с, дефокусировке 0, натяжение пятен достигало максимального значения 65 Н, параметры процесса были лучшими. Натяжение точки одномодовой лазерной сварки в 3 раза превышало напряжение точки импульсной лазерной сварки. При сварке одномодовым волоконным спиральным лазером энергия лазера равномерно распределяется в диапазоне точек и имеет большую плотность мощности, образуя форму сварного шва с шириной поверхности сварного шва, практически такой же, как у дна сварного шва, что способствует улучшение натяжения точки сварки и предоставление технической информации для фактического производства.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:алюминиевый сплав 6063; одномодовый волоконный лазер; лазерная сварка; напряжение

Материалы из алюминиевых сплавов имеют такие преимущества, как легкий вес, высокая прочность, простота обработки и формования, а также хорошая коррозионная стойкость. Они широко используются в таких отраслях, как аэрокосмическая, машиностроительная и автомобильная. С развитием науки и техники выдвигаются более высокие требования к качеству сварки и эффективности производства сварки алюминиевых сплавов. Лазерная сварка имеет преимущества высокой энергии. плотность, низкое общее тепловложение, малая деформация после сварки и простота автоматизации за счет отсутствия контакта с заготовкой. Он имеет широкую перспективу применения при сварке алюминиевых сплавов.
Алюминиевый сплав имеет высокую отражательную способность для лазеров, поэтому для сварки требуется более высокая энергия лазера. Кроме того, элементы с низкой температурой плавления, такие как Mg и Zn, в алюминиевых сплавах склонны к выгоранию, что приводит к снижению прочности сварного соединения, что влияет на практическое использование. Алюминиевый сплав 6063 обладает высокой прочностью и хорошей стойкостью к трению, и это материал из алюминиевого сплава с широким спектром применения. Для точечной сварки тонких материалов обычно используется лазерный источник Nd: YAG, который может уменьшить тепловую деформацию и повысить эффективность производства. Однако прочность на разрыв места сварки ниже, что может не соответствовать практическим производственным требованиям. С дальнейшим развитием лазерной технологии технология одномодового волоконного лазера становится все более зрелой, а качество луча становится все лучше и лучше. лучше, что очень помогает повысить прочность места сварки на разрыв.
В статье используется одномодовый волоконный лазер мощностью 1000 Вт для сварки спиральной проволоки, образующей точку сварки. За счет оптимизации параметров процесса достигается максимальная прочность места сварки на разрыв. Он также сравнивается с прочностью на разрыв точек сварки, полученной при точечной лазерной сварке, что дает ценные рекомендации для практического инженерного применения.

1 эксперимент по сварке

Материалы 1.1

Материал представляет собой алюминиевый сплав марки 6061 толщиной 0.5 мм. Химический состав материала показан в таблице 1. Разрежьте материал на пластины размером 200 х 100 мм, очистите спиртом и водой и отложите в сторону. Способ сварки — нахлестка, при этом свариваемые детали зажимаются с помощью самодельных приспособлений.

Табл.1Химический состав алюминиевого сплава 6061 (массовая доля), %

Al	Mg	Si	Fe	Cu	Cr	Mn	Zn
маржа	1.06	0.53	0.38	0.33	0.17	0.043	0.016

1.2 Подобрать оборудование

В экспериментальном оборудовании используется одномодовый волоконный лазер производства IPG. сварка, с диаметром волокна 0.14 мкм и средней мощностью 1000 Вт. Экспериментальная платформа в основном состоит из лазера, компьютера, системы оптического пути и системы управления, как показано на рисунке 1а. Лазер отражается сканирующим гальванометром. и фокусируется на рабочей плоскости через линзу F. Гальванометр вращается с высокой скоростью под приводом x/y-двигателя, образуя на плоскости различные траектории, такие как круги, прямоугольники, прямые, спиральные линии и т. д. После прохождения через F-линзу размер пятна составляет около 0.28. мм. Принципиальная схема системы оптического пути показана на рисунке 1b. Для импульсной лазерной точечной сварки используется Nd:YAG-лазер мощностью 500 Вт.источник, с пиковой мощностью до 8000 Вт. После того, как лазерный луч сфокусирован системой оптического пути, размер пятна составляет примерно 0.4 ~ 1.0 мм.Электронный тестер на растяжение производства Jinan Huaxing Experimental Equipment Co., Ltd (модель: WDH-10) используется для испытания сварного шва на растяжение. Внешний вид сварного шва проверяется с помощью металлографического микроскопа под торговой маркой Beijing North Star и номером модели XJB200.

Рис.1 Экспериментальная площадка

2 Эксперименты и результаты процесса лазерной сварки

2.1 Сравнение графического дизайна и внешнего вида сварки

Пульсирующий лазерная точечная сварка Для сварки используется Nd:YAG-лазер мощностью 500 Вт со сварочным аппаратом. Требуемый диапазон 0.6~0.8 мм. Размер сфокусированного луча импульсного лазерная точечная сварка как раз соответствует требованию. Лазер излучает импульс, который воздействует на материал, образуя место сварки. Принципиальная схема места сварки представлена ​​на рисунке 2а.Поскольку сфокусированное пятно одномодового волоконного лазера составляет всего 0.28 мм, лазер луч образует сварочное пятно, прокручивая спираль, диаметр спирали 0.8 мм,а спираль имеет 4 витка. Между каждым из них существует определенная степень перекрытия лазеров. виток, образуя пятно лазерной сварки диаметром 0.8 мм. Схема Пятно сварки показано на рисунке 2б. Внешний вид импульсной лазерной точечной сварки показано на рисунке 2в, а внешний вид сварочного пятна, образованного спиралью, показано на рисунке 2d. Размер двух сварочных точек практически идентичен, и нет существенную разницу можно заметить визуально.

Рис.2 Схема и внешний вид мест сварки

2.2. Ортогональный эксперимент с параметрами процесса.

Основные параметры обработки импульсного лазерная точечная сварка включить пиковый лазер мощность, ширина импульса и степень расфокусировки. Предварительное испытание процесса лазерной сварки. проводилось на алюминиевом сплаве 0.5 толщиной 6061 мм. Когда пиковая мощность лазера составляет 2400 Вт, Пиковая мощность относительно невелика, что приводит к меньшему размеру сварочного пятна. тяговое усилие 3 Н.Когда пиковая мощность лазера 3600 Вт, на поверхности сварного шва имеются брызги. шва, а растягивающее усилие места сварки также невелико – 4 Н. При ширине импульса 3 мс, диаметр сварочного пятна меньше, а растягивающая сила меньше - 3 Н.При длительности импульса 9 мс диаметр сварочное пятно составляет 0.9 мм, что превышает диапазон сварки 0.6 ~ 0.8 мм. Когда расфокусировка в 0 из-за большого плотность мощности, на сварном шве имеются брызги, внешний вид не ухудшается. соответствовать стандарту. Однако при расфокусировке на расстоянии 6 мм из-за резкого паденияплотность мощности, растягивающая сила при точка сварки ниже, на уровне 4 Н. Три уровняэти факторы показаны в Таблице 2.

Табл.2 Факторы и уровни импульсной лазерной точечной сварки

номер	фактор
	Пиковая мощность/Вт	Ширина импульса B/мс	C Величина расфокусировки/мм
1	2500	4	1
2	3000	6	3
3	3500	8	5

Основными параметрами процесса спиральной сварки одномодовым волоконным лазером являются: средняя мощность лазера, скорость сварки и степень расфокусировки,когда средний лазер мощность 500 Вт, растягивающее усилие в месте сварки меньше, на уровне 4 Н;Когда средниймощность лазера составляет 900 Вт, некоторые брызги материала и растягивающая сила на точка сварки это также ниже, при 3 Н; При скорости сварки 90 мм/с накопление тепла слишком велико. высокая, вызывающая возгорание материала, а растягивающее усилие в точке сварки ниже, на уровне 5N;При скорости сварки 170 мм/с накопление тепла меньше, как ширина и глубина сварки меньше, а сила растяжения в точке сварки ниже, при4 N;Когда величина расфокусировки равна 0, плотность мощности выше, что приводит к разбрызгиваниюсварной шов, не отвечающий требованиям внешнего вида; при расфокусировке составляет 6 мм, из-за резкого падения удельной мощности растягивающая сила на точка сварки ниже, на уровне 4 Н. Три факторы и три уровня показаны в таблице 3.

Табл.3 Факторы и уровни одномодовой волоконно-лазерной спиральной сварки

номер	фактор
	D средняя мощность/Вт	Скорость сварки E/ (мм·с- 1)	C Величина расфокусировки/мм
1	600	100	1
2	700	130	3
3	800	160	5

Трехуровневый ортогональный импульсный эксперимент лазерная точечная сварка включает девять комплектов,когда пиковая мощность составляет 3000 Вт, ширина импульса составляет 8 мс, а величина дефокусировкисоставляет 1 мм, растягивающее усилие точки сварки достигает максимума при 17 Н.,это рассматриваются как оптимальные параметры процесса.Для коэффициента пикового лазера мощность (А), проведено три эксперимента с уровень 1 (А=2500 Вт),сложите растягивающие силы точек сварки из этих 3 эксперименты для получения статистической суммы К1=35,при выборе уровня 2 сумма предел прочности мест сварки статистическая сумма К2=46,когда уровень выбрано 3,сумма статистическая сумма К3=33,чем больше статистическое значение K, тем выше растягивающая сила на этом уровне,самое высокое значение - K2,это указывает на то, что когда фактор А на уровне 2 (А = 3000 Вт) прочность точки сварки наибольшая;Аналогично статистическое значение К прочности на разрыв точки сварки других факторы(ширину импульса, расфокусировку) можно получить, как показано в Таблице 4. Диапазон представленР,чем меньше значение R, тем меньшее влияние этот фактор оказывает на прочность на разрыв.точка сварки;И наоборот, чем больше значение R, тем сильнее влияние этого фактора.от прочности места сварки. Из таблицы 4 видно, что видно, что факторына предел прочности точки сварки влияют в порядке значимости: пиковая мощность,ширина импульса и дефокусировка.

Табл.4 Результаты ортогонального эксперимента импульсной лазерной точечной сварки

номер	Пиковая мощность/Вт	Bширина импульса/мс	CРасфокусироватьколичество/мм	Натяжение паяного соединения/Н
1	2500	4	1	11
2	2500	6	3	9
3	2500	8	5	15
4	3000	4	3	14
5	3000	6	5	15
6	3000	8	1	17
7	3500	4	5	8
8	3500	6	1	12
9	3500	8	3	13
K1	35	33	40
K2	46	36	31
K3	33	45	38
R	13	12	9

Трехфакторный трехуровневый ортогональный эксперимент спиральной линии одномодового волоконного лазера Сварка включает в общей сложности 9 групп. При средней мощности 3000 Вт сварка скорость 160 мм/с, величина расфокусировки 1 мм, предел прочности сварного шва точка достигает максимального значения 47 Н, что является оптимальным параметром процесса.

Когда средний коэффициент мощности лазера G установлен на уровне 1 (A=600 Вт), всего формируются 3 экспериментальные группы, предел прочности этих 3 групп точек сварки суммируется, чтобы получить статистику F1=98; Аналогично , можно получить статистические данные для значения прочности на разрыв других факторов, как показано в таблице5. Среди них Y — значение диапазона. Из значения диапазона видно, что на размер паяного соединения влияют следующие факторы: от первичного к вторичному, расфокусировка, средняя мощность и скорость сварки.

2.3 Внешний вид сварного шва и анализ микроструктуры

На рис. 3а показано поперечное сечение точечного сварного шва при оптимальных технологических параметрах импульсной лазерной точечной сварки, ширина поверхности сварного шва большая, но по мере увеличения глубины сплавления ширина сварного шва уменьшается. Ширина сварного шва между верхним и нижним слоями составляет примерно 1/3 ширины поверхности точки сварки, это связано с тем, что энергия импульсного лазера в основном распределяется в центре светового пятна диаметром 0.8 мм. Энергия на краю светового пятна ниже, что может только расплавить поверхность материала и не может продолжать проникать вниз, образуя сварной шов, широкий вверху и узкий внизу. На рис. 3б показано поперечное сечение пятна сварного шва при оптимальных технологических режимах одномодовой спиральной лазерной сварки, где ширина поверхности сварного шва примерно эквивалентна ширине импульсной лазерной точечной сварки, при увеличении глубины плавления существенного снижения температуры не происходит. ширина сварного шва. Ширина сварного шва между двумя верхними и нижними слоями материала почти такая же, как ширина поверхности сварочного пятна, это связано с тем, что при использовании спиральной сварки одномодовым волоконным лазером сфокусированное пятно одномодового лазера Волоконный лазер имеет диаметр 0.28 мм, энергия лазера равномерно распределяется в пределах пятна и имеет высокую плотность мощности. На самом внешнем круге спиральной линии энергии лазера достаточно, чтобы расплавить материал, образуя форму сварного шва, где ширина поверхности сварного шва почти такая же, как ширина дна сварного шва. Во время испытания на растяжение Основным положением напряжения является ширина сварного шва между двумя верхними и нижними слоями материала. Чем больше ширина, тем больше растягивающая сила точки сварки. Ширина сварного шва между двумя верхними и нижними слоями материала при спиральной сварке одномодовым волоконным лазером в три раза превышает ширину точечной сварки импульсным лазером, следовательно, предел прочности точки сварки одномодового Спиральная сварка волоконным лазером также в три раза превосходит точечную сварку импульсным лазером.

Табл.5 Результаты ортогонального эксперимента одномодовой спиральной сварки

номер	D средняя мощность/Вт	Скорость сварки E/(мм·с- 1)	F расфокусировкаколичество/мм	натяжение паяного соединения/Н
1	600	100	1	41
2	600	130	3	28
3	600	160	5	29
4	700	100	3	33
5	700	130	5	39
6	700	160	1	47
7	800	100	5	30
8	800	130	1	35
9	800	160	3	39
G1	98	104	123
G2	119	102	95
G3	104	115	98
Y	21	13	25

Рис.3 Поперечное сечение места сварки

На рисунке 4а представлена ​​металлографическая структура исходного материала алюминиевого сплава 6061. Размер зерен неравномерный, форма неправильная, зерна относительно крупные, что является типичной структурой '-Al..На рис. 4б представлена ​​микроструктура центра сварного шва при оптимальных параметрах процесса лазерно-импульсной точечной сварки. Он имеет дендритную структуру из алюминиевого сплава. Размер зерна значительно уменьшился по сравнению с исходным материалом из алюминиевого сплава 6061. Это связано с быстрым нагревом и быстрым охлаждением материала алюминиевого сплава с помощью точечной лазерной импульсной сварки, что приводит к измельчению зерен сварного шва. На рис. 4в представлена ​​микроструктура центра сварного шва при оптимальных параметрах процесса спиральной сварки одномодовым волоконным лазером. Это представлено дендритной структурой алюминиевого сплава. Размер зерна не имеет существенной разницы по сравнению с металлографической структурой при точечной лазерной импульсной сварке.

Рис.4 Микроструктура места сварки

Заключение 3

Алюминиевый сплав 6063 был сварен внахлест отдельно с использованием методов импульсной лазерной точечной сварки и спиральной сварки одномодовым волоконным лазером, а также был проведен эксперимент по ортогональной оптимизации. Максимальное усилие натяжения мест сварного шва, достигаемое при импульсной лазерной точечной сварке, достигало 17 Н, оптимальные параметры процесса: пиковая мощность 3000 Вт, длительность импульса 8 мс, величина расфокусировки 1 мм при импульсной лазерной точечной сварке. Максимальная сила растяжения мест сварки, достигаемая при спиральной сварке одномодовым волоконным лазером, достигала 47 Н. Оптимальные параметры процесса для этого метода следующие: средняя мощность — 3000 Вт, скорость сварки — 160 мм/с, величина расфокусировки — 1. мм.

Внешний вид результатов пульса лазерная точечная сварка и спиральная сварка одномодовым волоконным лазером при оптимальных технологических параметрах практически идентична, без существенной разницы; также нет заметных различий в металлургической структуре и размере зерна. Ширина сварного шва между верхним и нижним слоями материала при спиральной сварке одномодовым волоконным лазером в три раза превышает ширину сварного шва при точечной импульсной лазерной сварке. Таким образом, прочность на растяжение сварных точек при спиральной сварке одномодовым волоконным лазером также в три раза выше, чем при точечной сварке импульсным лазером.